燃气轮机与可再生能源互补的分布式供能*

陈哲，田丰，吕小静，翁一武†

①广东电网有限责任公司电力科学研究院，广州 510080；②上海交通大学动力机械与工程教育部重点实验室，上海 200240

燃气轮机与可再生能源互补的分布式供能*

陈哲①，田丰①，吕小静②，翁一武②†

①广东电网有限责任公司电力科学研究院，广州 510080；②上海交通大学动力机械与工程教育部重点实验室，上海 200240

天然气燃气轮机与可再生能源互补组成的分布式供能，既有天然气分布式供能系统负荷调节范围大、能源利用率高的特点，又有可再生能源就地消纳、充分利用的优势。首先介绍了天然气燃气轮机分布式热点联供的发展和使用情况，分析了多种能源互补的分布式供能技术特点，展望了燃气轮机与可再生能源互补的分布式供能的发展前景。

分布式供能；燃气轮机；可再生能源；互补

分布式供能系统安装在用户附近，就近利用燃料，就近为用户供应冷、热、电和生活热水，具有能源综合利用率高、安全可靠、环保等特点。天然气分布式供能的特点是“温度对口、能量梯级利用”，能量利用率通常可以达到75%以上。分布式供能系统的形式主要有分布式热电联供或分布式冷热电联供。

可再生能源(风能和太阳能等)的大力发展是必然趋势，其不稳定性对电网安全产生巨大影响。既能实现区域性的能量平衡，又能最大限度地利用可再生能源，是分布式供能技术发展追求的目标。

调节灵活的天然气分布式能源技术，将推动智能电网技术、区域能源建筑一体化技术以及太阳能技术、微风发电技术的发展，可以满足用户不同冷热电及环保性能的具体需求。其未来发展趋势是以天然气分布式能源为核心，结合太阳能、风能等可再生能源构建“小型化区域能源供应网络”，形成多功能互补的智能电网(微电网)与智能冷、热气供应网络。

可以合理地预见，世界电力工业将由传统的“大电厂、大机组、大电网、城市热网”组合的集中供能系统，向以依靠大型发电为主、天然气分布式供能和可再生能源为补充的“多模式互补系统”转变。

1 分布式供能的发展

分布式供能系统是相对于“大电网、大容量、大电厂”的集中式能量供应方式而言的。天然气分布式供能节能减排的优点已经获得广泛共识，发达国家分布式供能系统的应用也已经较为普遍，而我国相对落后。由于前期国家相关政策、法规不完善，现有电力体制并网手续繁琐和分布式供能技术低下等原因，导致十多年来分布式供能在国内的发展相对缓慢；但最近几年开始得到广泛重视，国家、地方及有关部门制定了一系列政策法规推进分布式供能系统的发展。

1.1 国家大力推动发展分布式供能

2011年10月，国家发改委、财政部、住建部、国家能源局联合发布《关于发展天然气分布式能源的指导意见》，其中提出：“十二五”期间我国将建设1 000个左右天然气分布式能源项目，拟建设10个左右各类典型特征的分布式能源示范区域；未来5～10年内要在分布式能源装备核心能力和产品研制应用方面取得实质性突破，初步形成具有自主知识产权的分布式能源装备产业体系。

2013年国务院印发《大气污染物防治行动计划》(国发[2013] 37号)，要求加快清洁能源替代利用，鼓励发电分布式供能等高效利用项目；要求新建建筑要严格执行强制性节能标准，推广使用“热—电—冷”三联供技术和装备。

2013年国家发展和改革委员会制定了《分布式发电管理暂行办法》(发改能源[2013] 1381号)，明确综合能源利用效率高于70%且电力就地消纳的天然气热电冷联供等属于分布式发电的一种方式，并从项目建设、电网接入和运行等方面明确各部门的职责，同时制定了分布式发电的管理暂行办法，有效推进了分布式供能的发展。

1.2 分布式供能的发展状况

在国外，分布式能源已成为一种较成熟的能源综合开发供应技术。目前许多发达国家都十分重视分布式能源的应用和研究，特别是美国、日本及欧盟各国都已经制定出了十分宏伟的有关分布式能源系统的研究发展计划。

根据统计，世界主要国家及地区的热电联产(CHP)2006年装机容量已达到32 920万kW。全球分布式风电2008年装机容量达到0.4万kW。2010年底，全球光伏发电装机总量高达3 950万kW，其中日本、欧洲等地分布式光伏发电位居世界前列。

我国分布式供能发展提升空间巨大，目前国内已建成一批天然气分布式发电项目，但装机总容量不到全国总装机容量的1%。分布式供能在我国大中城市发展较快。分布式供能原动机主要以燃气轮机和内燃机为主。燃气轮机是分布式供能发电系统的核心设备，具有高效、稳定、灵活、低排放等优点。作为分布式供能的关键设备，自主品牌的燃气轮机产品少，且竞争力不强。中国在产品研发技术上需要的是提高设备的能源转换效率，提高可靠性，延长设备检修周期，提高设备的自动智能控制水平。燃气内燃机技术中国已经成熟，但是制造水平与国际先进设备存在比较大的差距，主要是转换效率、排放控制、设备运行可靠性等方面存在不足。目前分布式供能项目的燃气内燃机和燃气轮机基本上都是进口。

2 天然气燃气轮机分布式供能技术及应用

分布式供能系统的发展得益于天然气的广泛应用。用天然气为能源，以微小型燃气轮机为原动力的冷热电联供系统，具有体积小、效率高、技术成熟、运行可靠、自动化程度高的优点，适合布置在用户端。全国范围内已经建立了天然气输配官网，西气东输为分布式供能的发展创造了条件，天然气能源岛的示范和迅速推广对我国的能源结构、大气环境和经济发展带来的效益将不可估量。

2.1 天然气燃气轮机分布式供能系统的构成

天然气燃气轮机分布式电冷热联供系统按照温度对口、能源梯级利用的原则配置。天然气在燃气轮机中膨胀做功输出电能，排出约500℃的烟气用于制冷或供热，再排出的余热可以用于生活热水，整体的能量综合利用率可以达到80%以上。图1是天然气能量梯级利用原理图。

微燃机分布式供能系统由微型燃气轮机、溴化锂吸收式制冷机、换热器以及相关的辅助设备组成，还包括天然气调压/增压系统、冷却水/冷媒水系统、烟气管路系统以及电气输配控制系统。图2是天然气燃气轮机分布式供能系统构成图。

2.2 应用实例

以上海市申能能源中心的天然气燃气轮机分布式供能系统为例，介绍其技术特点和应用情况。

(1)基本情况

图1 天然气能量梯级利用原理图

图2 天然气燃气轮机分布式供能系统构成图

上海市申能能源中心大楼总建筑面积为49 648m2，采用由分布式供能系统、太阳能发电系统、冰蓄冷系统以及传统的电空调和采暖锅炉组成的综合性供能系统供能，技术先进，智能化程度高。

(2)系统设计

申能能源中心分布式系统由1台额定功率为200 kW的美国Capstone C200低压型(自带燃气增压机)微型燃气轮机发电机组、2台日本Yazaki CH-KE4040烟气补燃型溴化锂冷温水空调机组以及PLC自动控制柜、并网柜、风机、水泵、冷却塔(循环冷却水系统)等辅助设备组成(图3)。该系统在发电制冷模式下运行时，相当于可以替代244 kW 的电力供应。

图3 申能能源中心分布式供能系统(左图：微燃机发电机组；右图：制冷机组)

分布式供能系统工作时，微型燃气轮机发电机组采用“并网不上网”的模式运行，所发出的电经逆变后以400 V的电压等级并入能源中心的交流母排。微燃机尾部排出的高温烟气(280 ℃)将进入空调机组被吸收利用，排烟温度为110 ℃，仍有余热利用价值。

能源中心大楼的供冷系统为2台容量为1 361 kW的双工况螺杆式制冷机组，供热系统为2台容量为1 400 kW的天然气热水锅炉。分布式供能系统的溴化锂空调机组作为整个空调系统的有效补充。

(3)系统运行情况

根据系统连续72 h试运行测试结果进行计算，系统发电效率为30.7%，制冷机余热回收效率为42.3%，整个系统的一次能源利用率为73%。

根据办公楼能源供应的需求和特征，以系统每年运行2 500 h计，全年可替代电网供电610 MWh。按照华东区域电网的碳排放因子0.853 t/MWh(CO2)为参考，全年可以减排CO2154 t，节能减排效果明显。

实际运行中，冬季1月份系统效率为72.28%，过渡季节5、6月份系统效率为70.42%，夏季7、8月份系统效率为74.96%。

3 多能源互补的分布式供能系统分析

3.1 多能源互补供能系统技术分析

对于间隙性、不稳定性明显的太阳能和风能，采用多种能源互补的分布式供能技术，将可再生能源(风能、太阳能光伏/光热等)与天然气形成互补，调节用户负荷，保证稳定供能。

由于昼夜和春、夏、秋、冬四季用户的用能负荷(电负荷、冷负荷和热负荷)变化很大，要有良好的范围变化适应性和完善的协调控制技术。

图4为多能源互补供能与冷热电负荷变化适应性示意图。可再生能源(风能、太阳能光伏/光热等)充分利用，天然气燃气轮机变工况运行，两者互补，调节用户各种负荷，以满足用户需求。

3.2 基于微电网的多能源互补分布式供能系统

采用微智能电网技术，可以进一步保障分布式供能接入电网，产生的可再生能源就地消纳，实现区域用能平衡和电网稳定。

对于这种区域性的多能源互补分布式供能系统在国外已经有一些示范，国内也有一些研究，其内容包括：

(1)研究区域内可再生能源充分利用技术。多种可再生能源，包括生物质能、风能、太阳能等；生物质能气化内燃发电和天然气燃气轮机分布式供能；分布式供能和蓄能动态调节的能源系统。

(2)多能源互补的分布式供能系统集成技术。能量系统可模块化组合，根据不同用户、不同需要可以灵活组合集成；能源梯级利用；建立多能源互补的分布式供能系统示范和研究基地。

(3)实现微电网内和微热(冷)网内供能与用能的智能化。可再生能源就地消纳，因地制宜地实现电、冷(热)能量的供应和平衡，能量调度中心智能化调配，实现能量稳定供应。

(4)区域内电、冷(热)需求变化规律及数据库。典型用户在不同季节和时段的用能数据库(包括热、冷和电)；多能源互补的分布式供能系统配置模型库；通过全工况动态仿真研究，提出分布式供能系统设计方案，实现系统的最优配置。

基于微电网的区域性多能源互补分布式供能系统(图5)适用于住宅小区、高新工业园区、学校园区和乡村等。它由区域微电网、区域供热(冷)网和信息网组成，包括天然气分布式供能、太阳能光伏发电、小型风力发电、储能系统和能源管理中心等。

图4 多能源互补供能与冷热电负荷变化适应性示意图

图5 基于微电网的区域性多能源互补分布式供能系统

4 结论与展望

天然气分布式供能系统是能源梯级利用的高效方式，能源利用率高，负荷调节能力强，它与可再生能源(风能和太阳能等)互补组成的分布式供能系统，是能源利用的发展方向。具体体现在：

(1)天然气分布式供能可以使得供电结构更合理，改善单一大电网供电，提高用电的安全性；天然气实现能源梯级利用，能源利用率更高，可以节约大量的能源。

(2)天然气分布式供能具有调峰作用，既能减少季节性的电力高峰负荷，从而减少调峰电站建设，又能均衡冬夏季燃气使用。

(3)对于太阳能和风能的间隙性，将可再生能源(风能和太阳能等)与天然气燃气轮机供能形成互补，可以有效地调节用户负荷，保证稳定供能。

(4)采用基于微电网的多能源互补分布式供能技术，可以进一步保障分布式供能接入电网，产生的可再生能源就地消纳，实现区域用能平衡和电网稳定。

(2016年11月14日收稿)

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(编辑：沈美芳)

Distributed energy supply complemented gas turbine with renewable energy

CHEN Zhe①, TIAN Feng①, LÜ Xiaojing②, WENG Yiwu②
①Electric Power Research Institute, Guangdong Power Grid Co. Ltd., Guangzhou 510080, China; ②Power Machinery and Engineering Key Laboratory of Ministry of Education, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China

The distributed energy supply is complemented gas turbine with renewable energy. Its features are the large supply range adjusted by natural gas distributed energy and the high energy utilization rate. The advantage is the full consumption of renewable energy at local. We introduce the development of combined cooling, heating and power (CCHP) of gas turbine, then analyze a variety of complementary energy for distributed energy technology. Finally, the prospect of distributed energy supply complemented gas turbine with renewable energy is presented.

distributed energy supply, gas turbine, renewable energy, complementary

10.3969/j.issn.0253-9608.2017.01.009

*国家自然科学基金(51376123)和国家863高技术项目(2014AA052803)资助

†通信作者，E-mail: ywweng@sjtu.edu.cn